抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑研究與應用

萬 偉， 黃 平， 李 軒， 廖清清, 唐純潔

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司 2中石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部 3中石油西南油氣田分公司天然氣研究院)

隨著全球經濟的飛速發展，世界各國對油氣資源的需求日益增加，預計到2035年，油氣資源在全球能源消費中仍占一半以上的比例。據調查，我國有超過50%可進行開采利用的油氣資源埋藏較深，在深部地層鉆井過程中，隨著井深的增加，一方面井下的高溫高壓環境導致鉆井液密度高且性能維護處理空間狹窄;另一方面，地質結構更加復雜，膏鹽層或高壓鹽水等復雜地質情況時有出現，對鉆井液的維護處理稍有不當均將導致井下復雜事故的發生[1-4]。同時，隨著全球環保意識的增強，作為鉆井液體系中的核心處理劑，不含重金屬且可降解的聚合物類抗溫抗鹽降濾失劑逐漸成為全球油田化學領域研究的重點。目前，國外各研究機構開展了大量研究，取得了較為豐碩的成果，但國內相關研究起步相對較晚，有一定研究成果，但工業化產品較少。

一、技術路線

本文以抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑性能要求為出發點，根據目前聚合物降濾失劑的抗溫抗鹽能力較弱原因分析，即：聚合物分子中的主鏈和側鏈中原子間鍵能較弱，在高溫條件下主鏈或側鏈發生斷裂，聚合物分子降解后不具有功效；在高鹽環境中，聚合物分子中的功能基團卷曲，未能很好伸展開而吸附在黏土顆粒表面發揮其應有的功效。經分子結構設計、聚合單體優選，采用氧化還原引發體系，通過共聚合反應合成以乙烯基磺酸鹽、乙烯基酰胺鹽、乙烯基吡咯烷酮為主要單體的聚合物降濾失劑[5-7]。本文對該聚合物降濾失劑的工業化產品進行產物表征、熱重分析、應用性能評價和現場應用，均反映出其具有很好的抗高溫、抗復合鹽能力，且在現場應用中獲得了成功。

二、作用機理

本文研究的抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑主要通過其主鏈的高鍵能和功能基團的作用效能使其具有較好的抗高溫、抗復合鹽的能力，其作用機理如下：首先，該降濾失劑主鏈僅為碳碳鍵，碳原子之間形成高鍵能的共價鍵，使得該共價鍵在高溫、高壓、高復合鹽環境條件下具有較強的化學穩定性；其次，該降濾失劑側鏈釆用C-S、C-C、C-N等鍵能較髙、熱穩定性好的聯結方式，進一步保證共聚物在高溫、高壓、高復合鹽環境下保持穩定；最后，分子鏈中選用酰胺基為非離子吸附基團、磺酸基團為陰離子水化基團、吡咯烷基為剛性支撐基團，在保證聚合物具有強剛性結構的同時形成較強溶劑化層，從而起到抗高溫、抗復合鹽污染的作用。

三、產物表征

采用紅外光譜儀對合成的高效封堵劑進行結構表征見圖1。由圖1可知：波數為3 447 cm-1對應-NH2伸縮振動峰；波數為2 918 cm-1對應脂肪族C-H伸縮振動峰，即-CH3與-CH2-伸縮振動峰；波數為1 670 cm-1對應-CONH2中C=O伸縮振動峰；波數為1 195 cm-1對應磺酸基不對稱吸收峰；波數為1 030 cm-1對應磺酸基對稱特殊吸收峰；在波數為3 050～3 110 cm-1處沒有出現C=C伸縮振動峰。通過以上對紅外光譜分析可知，合成的產物中含有甲基、亞甲基、酰胺基、磺酸基等，且無C=C，可以判斷單體之間發生了較為充分的共聚反應。

圖1 聚合物降濾失劑紅外光譜圖

四、產物性能評價

1. 熱重分析

熱重分析是指在通過程序控制溫度下測量待測樣品的質量與溫度變化關系的一種熱分析技術，主要用來研究材料在高熱環境下結構穩定性。通過熱重分析圖2可知，該降濾失劑于235℃前質量略微有所下降，分析其主要原因是由于其分子中的吸附水在高溫環境下脫水造成，說明其在240℃以下基本無熱分解，熱穩定性較好。當溫度升至240℃左右時，曲線迅速下降，表明此溫度下該降濾失劑分子結構開始分解，分析其原因主要是由于側鏈上的酰胺基、磺酸基和羥基等的熱分解所導致。當溫度升至420℃左右時，該降濾失劑的質量分數仍然在50%以上，說明其具有較高的熱穩定性。綜上所述，該降濾失劑在230℃環境下自身不會分解，分子結構具有較好的熱穩定性。

圖2 聚合物降濾失劑熱重分析圖

2. 環保性能

對形成的抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑進行環保性能評價，主要測試其生物毒性和生物降解性。其中：生物毒性評價方法參照標準Q/SY 111-2007《油田化學劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法 發光細菌法》，通過測定其EC50值進行判定，EC50≥10 000 mg/L則判定為實際無毒；生物降解性評價方法則通過測定其BOD5與COD的比值進行判定，BOD5/COD≥25%則判定為易降解。該聚合物降濾失劑測定結果見表1。

表1 聚合物降濾失劑環保性能評價

通過表1數據可知，該聚合物降濾失劑EC50測定值為58 700 mg/L，大于10 000 mg/L，達到實際無毒標準，BOD5/COD比值為51.26%，大于25%，達到易降解標準。由此可知，該聚合物降濾失劑對環境的影響較小，具有很好的環保性能。

五、應用性能評價

采用一套目前現場應用較為成熟的抗復合鹽聚合物鉆井液體系作為基礎配方，加入2%抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑，其具體配方為：5%膨潤土+0.5%碳酸氫鈉+1%聚合物包被劑+2%抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑+3%環保潤滑劑+0.1%抗高溫乳化劑+0.1%亞硫酸氫鈉+重晶石。以此配方為評價其基礎性能、抗溫能力、抗鹽能力等。

1. 基礎性能

按照上述配方配制聚合物鉆井液體系，測定其配置后的基礎性能，并將其置于恒溫滾子爐中，在160℃條件下恒溫滾動16 h，冷卻至室溫，高速攪拌20 min后進行性能測試，測試結果見表2。

表2 鉆井液基礎性能評價

通過表2數據可知，熱滾前，該鉆井液體系的黏度和切力相對熱滾后高，但是現場設備完全能夠滿足配制的需求。熱滾后，黏度和切力有所降低，該流變性能夠為鉆進過程中提供很好的攜帶和懸浮鉆屑的能力，同時，其高溫高壓濾失量低，可有效避免過多水分進入井壁后造成的井壁失穩垮塌。由此可知，該聚合物降濾失劑配伍性較好，且在保證體系具有一定黏度和切力的同時還具有很好的濾失控制能力。

2. 抗復合鹽能力

在配制好的配方中，按比例加入一定質量體積比的氯化鈉，充分攪拌1 h后，在160℃條件下恒溫滾動16 h，冷卻至室溫，高速攪拌20 min后進行性能測試，以此評價該鉆井液體系的抗一價鹽污染能力，測定結果見表3。

表3 抗一價鹽污染能力評價

在加入30%氯化鈉后，再按比例加入一定質量體積比的氯化鈣，充分攪拌1 h后，在160℃條件下恒溫滾動16 h，冷卻至室溫，高速攪拌20 min后進行性能測試，以此評價該鉆井液體系的抗二價鹽污染能力，測定結果見表4。

通過表4數據可知，該聚合物鉆井液體系在受到復合鹽污染后，其黏度和切力下降，HTHP濾失量增大，但變化幅度均較低。分析原因主要是功能基團中的吡咯烷基依托其較強的剛性結構抑制聚合物在高鹽環境下的卷曲，使功能團有效發揮其各自作用所致。由此可知，該聚合物降濾失劑具有很強的抗復合鹽污染的能力，完全能夠滿足井底膏鹽污染環境下的鉆井所需。

表4 抗二價鹽污染能力評價

3. 抗溫能力

為保證加入有抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑的鉆井液體系能夠適用于井底溫度高的深井、超深井中，在配制好的配方中加入30%氯化鈉和0.5%氯化鈣后，充分攪拌1 h，分別在不同溫度條件下恒溫滾動16 h，冷卻至室溫，高速攪拌20 min后進行性能測試，以此評價該鉆井液體系的抗溫能力，測試結果見表5。

表5 抗溫能力評價

通過表5數據可知，該聚合物鉆井液體系在180℃條件下仍具有較好的綜合性能，隨著溫度升高至200℃、210℃后，鉆井液黏度和切力明顯降低，HTHP濾失量明顯增大，尤其是在210℃條件下影響更加明顯。由此可知，該聚合物降濾失劑至少完全能夠滿足井底溫度180℃環境下的鉆井作業所需。

六、現場應用

目前，四川盆地高磨區塊作為勘探開發較為成熟的區域之一，其地質結構的掌握和工程措施的準備均較為完善，同時，該區塊在整口井的鉆井作業過程中會面臨膏鹽污染、高密度、井底較高溫度的情況，故此，于2018年選取此區塊對該聚合物降濾失劑開展現場試用[8]。該區塊以燈影組為目的層，垂深在5 000 m以上，井底溫度為150℃左右，井身結構為五開井。鉆井過程中，將分別鉆遇含有大段石膏層的雷口坡組～嘉陵江組、地層壓力大且處于造斜段的嘉二段～筇竹寺組、井底溫度較高且處于大斜度段的燈影組，這就要求鉆井液性能需滿足具有較好的抗鹽污染、高密度條件下的良好流變性、抗高溫能力以及具有很好的潤滑性。鉆井液配制過程中，采用該聚合物降濾失劑與潤滑劑、無機鹽、有機鹽、乳化劑等進行復配，使其達到鉆井所需，選取具有代表性的某口井為例，各段鉆井液主要性能見表6。

表6 各段鉆井液主要性能

通過表6數據可知，采用該聚合物降濾失劑配制的鉆井液在穿越大段膏鹽層時有效克服了膏鹽對鉆井液性能的影響、高地層壓力井段很好的解決了高密度和流變性的矛盾、較高井底溫度段仍具有很好的綜合性能以及造斜井段和水平井段保證了很好的潤滑性能。同時，與同類型井對比，其機械鉆速、鉆井周期、井徑擴大率、起下鉆摩阻、傳輸電測和下套管一次成功率等無較大差異。目前，該聚合物降濾失劑已成功應用于川渝地區多個區塊、70余口井次，下步將持續在更高井底溫度的區塊對其進行推廣應用。

七、結論與建議

(1)抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑以乙烯基磺酸鹽、乙烯基酰胺鹽、乙烯基吡咯烷酮為主要單體經共聚反應生產而得，通過其主鏈的高鍵能和功能基團的作用效能使其具有較好的抗高溫、抗復合鹽的能力。

(2)采用紅外光譜、熱重分析和環保檢測，生產的抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑工業化產品由多種單體進行了充分的共聚反應，且其具有很好的熱穩定性能和易降解、實際無毒的環保性能。

(3)通過應用性能評價可知，該聚合物降濾失劑具有很好的配伍性，且在高復合鹽環境和180℃高溫環境下仍然具有很好的控制高溫高壓濾失量的能力，同時對鉆井液流變性影響不大。

(4)抗高溫抗復合鹽聚合物降濾失劑在四川盆地高磨區塊的成功應用，證明了其能夠很好的解決井底溫度高、鉆井液密度大、膏鹽污染嚴重三者共存帶來的技術難題，下步將持續進行推廣應用。